Большая Советская Энциклопедия (ИЗ)

Изото'ны, атомы различных химических элементов с одинаковым числом нейтронов в ядрах. Пример И. — атомы ⁵₂ Не, ⁶₃ Li, ⁷₄ Be, ⁸₅ В, ядра которых содержат 3 нейтрона. Из этих И. ⁵ He распадается практически мгновенно, ⁶ Li — стабилен, ⁷ Be и ⁸ B — радиоактивны с периодом полураспада соответственно 43 дня и 0,8 сек. См. Изотопы ,Ядро атомное .

Изотопическая инвариантность

Изотопи'ческая инвариа'нтность, свойство сильных взаuмoдействий элементарных частиц. Существующие в природе частицы, обладающие сильными взаимодействиями (адроны), можно разбить на группы «похожих» частиц, в каждую из которых входят частицы с примерно равными массами и одинаковыми внутренними характеристиками (спином ,барионным зарядом ,странностью ), за исключением электрического заряда. Такие группы называются изотопическими мультиплетами. Оказывается, что сильное взаимодействие для всех частиц, входящих в один и тот же изотопический мультиплет, одинаково, т. е. не зависит от электрического заряда, — в этом и состоит симметрия сильных взаимодействий, называемая И. и.

  Простейший пример частиц, которые могут быть объединены в один изотопический мультиплет, — протон (р) и нейтрон (n). Опыт показывает, что сильное взаимодействие протона с протоном, нейтрона с нейтроном и протона с нейтроном одинаково (если они находятся соответственно в одинаковых состояниях); это послужило исходным пунктом для установления И. и. Протон и нейтрон рассматриваются как два разных зарядовых состояния одной частицы — нуклона; они образуют изотопический дублет. Другие примеры изотопических мультиплетов: пи-мезоны (p⁺ , p , p^- ) и S-гипероны (S⁺ , S°, S^- ), образующие изотопические триплеты.

  Электрический заряд Q частицы, входящей в изотопический мультиплет, выражается формулой Гелл-Мана — Нишиджимы:

Здесь В — барионный заряд, S — странность (одинаковые для всех частиц в данном изотопическом мультиплете), а величина I₃ пробегает с интервалом в единицу все значения от некоторого максимального значения I (целого или полуцелого) до минимального, равного — I : I₃ = I , I — 1, ..., — I . Общее число значений, которые может принимать величина I₃ (и Q

) для данного изотопического мультиплета, а следовательно, и число частиц в изотопическом мультиплете, равно 2I + 1. Величина I , определяющая число частиц в изотопическом мультиплете, называется изотопическим спином, а величина I₃ — «проекцией» изотопического спина. Эти названия основаны на формальной математической аналогии с обычным спином частиц, поскольку, согласно квантовой механике, для частиц со спином J проекция спина на произвольное направление в пространстве может принимать через единицу значения от + J до — J , т. е. иметь 2J + 1 значений.

  Так как нуклоны существуют в двух зарядовых состояниях, то для них (как и для всех других частиц, входящих в изотопические дублеты) 2I + 1 = 2, т. е. I = ¹ /₂ а I₃ может принимать два значения: + ¹ /₂ для протона (что соответствует Q = + 1, так как у нуклонов барионный заряд B = 1, а странность S = 0) и — ¹ /

₂ для нейтрона (Q = 0). Изотопическому триплету пионов соответствует I = 1, а I₃ равно + 1 для p⁺ , 0 для p° и — 1 для p ^— .Частицы с I= 0 не имеют изотопических «партнёров» и являются изотопическими синглетами; к таким частицам относятся, например, гипероны L⁰ и W^-.

  Изотопический спин является, таким образом, важной характеристикой адрона — квантовым числом , показывающим, какое количество изотопических «партнёров» имеет данная частица (или в каком числе зарядовых состояний она может находиться).

  На основе И. и. удаётся предсказать существование, массу и заряды новых частиц, если известны их изотопические «партнёры». Так было предсказано существование p°, S°, X° по известным p⁺ , p ^— ; S⁺ , S ^— и X ^— .

  И. и. имеет место и для составных систем из адронов, в частности для атомных ядер. Изотопический спин сложной системы складывается из изотопических спинов входящих в систему частиц, при этом сложение производится по тем же правилам, что и для обычного спина. Так, система из двух частиц с изотопическими спинами ¹ /₂ (например, нуклон) и 1 (например, p-мезон) может иметь изотопический спин I = 1 + ¹ /₂

= ³ /₂ или I = 1 — ¹ /₂ = ¹ /₂ .

  В ядрах И. и. проявляется в существовании уровней энергии с одинаковыми квантовыми числами для различных изобаров (т. е. для ядер, содержащих одинаковое число нуклонов и отличающихся электрическим зарядом). Примером служат ядра ¹⁴₆ С, ¹⁴₇ N, ¹⁴₈ O: основное состояния ядер ¹⁴ С, ¹⁴ О и первое возбуждённое состояние ¹⁴ N образуют изотопический триплет, I = 1 (см. рис .). Все квантовые числа этих уровней одинаковы, а различие в их энергиях можно объяснить разницей электростатических энергий из-за различия в электрических зарядах этих ядер. (Основной уровень ¹⁴ N имеет изотопический спин I = 0, поэтому у него нет аналогов в ядрах ¹⁴ C и ¹⁴ O.)